CN212249422U - 单向夹具传力低预应力自复位支撑 - Google Patents

Abstract

一种单向夹具传力低预应力自复位支撑，其特征在于：由仅受拉屈服的耗能外筒和自复位系统组成，其中耗能外筒由高强钢棒‑夹具单向传力系统、耗能软钢棒和右端板串联形成。自复位系统包括内筒、中筒和预应力复位元件，预应力复位元件由后张拉预应力筋及设置在其锚固端的弹性弹簧串联组成。仅需施加少许预应力即能实现支撑震后完全复位；无需构件精加工即可实现稳定可靠的关键部件单向传力机制；支撑轴向变形能力强，设计灵活。本实用新型在实现自复位支撑低预应力特性的同时，仅使用工程界广泛应用的元件组成，无需构件精加工，造价低廉，性能可靠，且变形能力强，可广泛用于新建建筑抗震设计和既有建筑抗震加固。

Description

单向夹具传力低预应力自复位支撑

技术领域

本实用新型应用于新建建筑抗震设计和既有建筑抗震加固。

背景技术

自复位支撑是近十年来发展起来的一种新型支撑技术，在地震工程领域有着广泛的应用前景。自复位支撑的显著特征是在控制结构最大响应的同时，兼控结构的残余位移响应，进而减小结构在震后的修复费用和修复时间，帮助结构在震后迅速恢复使用功能，即具有“抗震韧性”。

现有的自复位支撑技术存在多项技术难点，限制了其工程应用。主流的自复位支撑基本原理为：设计装置，使得无论支撑压缩还是伸长，预应力复位元件都会弹性变形，利用预应力复位元件的弹性恢复力提供自复位能力；同时叠加耗能系统，形成旗帜形滞回曲线。其中，预应力复位元件为后张拉预应力筋(PT筋)或预应力弹簧。在此原理前提下，自复位支撑需较大的预应力(不小于屈服强度的1/2)才能实现复位机理，造成了制作费用高、加工难、存在安全隐患和长期荷载作用下预应力损失等问题。此外，为满足较大的预应力水平，在支撑设计上必将需要较多的预应力元件材料和预应力系数 (材料预应力与极限强度的比值)。前者将导致支撑屈服后刚度大，支撑轴力大，增加支撑与结构连接节点和相邻结构构件的地震需求；后者将降低支撑的轴向变形能力。

最接近现有技术，中国专利申请201811248386.2公开一种《低预应力自复位耗能支撑》，该对比文件产品的结构特点、功能及局限分析：

对比文件中的关键部件是刻齿系统，其力学机理是单向传力机制，即在刻齿系统受拉时承力，在刻齿系统受压时不承力。即通过将刻齿系统与耗能系统串联，来实现支撑卸载时，耗能系统无法进入受压区来抵抗支撑复位的机理。刻齿系统包括上刻齿，下刻齿，外筒和刻齿复位弹簧。上刻齿和下刻齿在初始状态咬合，上刻齿与外筒左端头连接，下刻齿与耗能系统连接；每一齿的方向设计，使得外筒左端头与外筒右端头趋向于远离，即耗能系统趋向于伸长时，刻齿卡住传力；外筒左端头与外筒右端头趋向于靠近，即耗能系统趋向于缩短时，刻齿自由滑动；刻齿复位弹簧给上刻齿和下刻齿施加一个靠近的弹性力；外筒套设在内筒和中筒的外围。对比文件产品为节约空间，刻齿复位弹簧沿着支撑轴向方向布置，通过上刻齿与外筒左端头之间设置的倾斜面来为刻齿提供复位机制。对比文件产品需精加工的上刻齿、下刻齿和刻齿复位弹簧等元件，在实际应用中难以有效降低支撑造价；此外，刻齿系统通过刻齿咬合传力和上下刻齿打开滑动，存在局部应力集中，其在动力荷载下的单向传力机制亦尚需验证。

对比文件产品自复位支撑的变形能力有限，只能通过降低支撑的预应力需求水平，可在一定程度上提升自复位支撑的变形能力，但由于使用常用的钢绞线PT筋，该支撑仍难以满足工程需求。目前学界与工程界关于提升自复位支撑的变形能力，有两个思路： 1)增加额外的支撑部件和多组PT筋；2)使用弹性变形能力更大的材料(如形状记忆合金SMA)。前者增加了支撑的复杂度和造价，后者也需采用特殊的材料，皆不利于自复位支撑的推广。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术不足，以中国专利申请《低预应力自复位耗能支撑》(申请号201811248386.2)为基础进一步研发，公开一种单向夹具传力低预应力自复位支撑，在实现自复位支撑低预应力特性的同时，综合解决已有低预应力自复位支撑需精加工、性能不稳定和轴向变形能力不足的问题。

技术方案

本实用新型采用工程界广泛应用的预应力筋自锁型夹具(简称“自锁型夹具”)与高强钢棒、端板、螺母组成高强钢棒-夹具单向传力系统，在无需构件精加工的同时保证稳定的单向传力特性；利用新支撑的低预应力特性，通过在PT筋锚固处串联设置弹性弹簧，显著提升支撑轴向变形能力，使得自复位支撑使用常用的钢绞线PT筋时也能满足工程需求。

一种单向夹具传力低预应力自复位支撑，其特征在于：包括耗能外筒和自复位系统；

所述耗能外筒由高强钢棒-夹具单向传力系统、耗能软钢棒(1)和右端板(9)串联形成；

高强钢棒-夹具单向传力系统由左端板(7)、中转换板(8)、多个高强钢棒(5)、自锁型夹具(4)和1号螺母(6)组成；高强钢棒(5)的左侧通过1号螺母(6)与左端板(7)两侧连接，形成单向传力系统固定端；自锁型夹具(4)左端焊接于中转换板(8) 右侧，自锁型夹具(4)右端连接于耗能软钢棒(1)，高强钢棒(5)的右侧穿过中转换板(8)和自锁型夹具(4)，高强钢棒-夹具单向传力系统受拉状态下自锁型夹具(4)咬合高强钢棒(5)承力，高强钢棒-夹具单向传力系统受压状态下自锁型夹具(4)与高强钢棒(5)之间不咬合传力，产生相对滑动从而高强钢棒-夹具单向传力系统不承力；

耗能软钢棒(1)由核心耗能段和连接段组成；核心耗能段在受拉状态下屈服耗能；连接段端头设置螺纹，左部的连接段与中转换板(8)采用2号螺母(13)进行连接，右部的连接段与右端板(9)采用2号螺母(13)进行连接，震后易于更换；

所述自复位系统包括内筒(2)、中筒(3)和预应力复位元件；

内筒(2)的左端内部焊接连接件，作为支撑整体左端连接段，与应用场景中结构连接；中筒(3)的右端外部焊接连接件，作为支撑整体右端连接端，与应用场景中结构连接；所述内筒(2)设于中筒(3)内，所述中筒(3)设于外筒内部；

预应力复位元件左端锚固在左端板(7)左侧，右端锚固在右端板(9)右侧。

所述的单向夹具传力低预应力自复位支撑，其特征在于：所述预应力复位元件包括 PT筋(10)、PT筋锚固头(11)和弹性弹簧(12)；

弹性弹簧(12)布置在PT筋(10)的右侧端部，设置在右端板(9)和PT筋锚固头 (11)之间；弹性弹簧(12)与PT筋(10)构成变形串联机理，显著提升支撑轴向极限变形能力。

本实用新型既能提供自复位能力，又能提供耗能能力；仅需施加少许预应力即能实现完全自复位；轴向变形能力强；造价低廉，性能可靠；震后耗能元件易于更换。

附图说明

图1是本实用新型低预应力自复位耗能支撑概念构造图；

图2是实施例低预应力自复位耗能支撑的物理构造形式轴测图；

图3是实施例支撑物理构造形式的正视图；

图4是实施例支撑物理构造形式的俯视图；

图5是实施例支撑物理构造形式的左视图；

图6是实施例支撑物理构造形式的右视图；

图7是实施例支撑右侧预应力复位系统锚固段构造图；

图8高强钢棒-夹具单向传力系统构造图；

图9自锁型夹具(属于现有技术)及其与中转换板、高强钢棒位置关系的截面构造图；

图10是实施例预应力复位元件构造图；

图11是实施例支撑内筒构造图；

图12是实施例支撑中筒构造图；

图13是实施例仅受拉屈服耗能外筒构造图；

图14是本实用新型支撑的旗帜形力-位移曲线关系。

图中标号：1耗能软钢棒、2内筒、3中筒、4自锁型夹具、5高强钢棒、6 1号螺母螺母、7左端板、8中转换板、9右端板、10PT筋、11PT筋锚固头、12弹性弹簧、 13 2号螺母；

4-1锚环、4-2夹片、4-3O形圈、4-4夹具复位弹簧、4-5压盖组件。

具体实施方式

下面通过实例结合附图进一步说明本实用新型。

以下结合图1低预应力自复位耗能支撑概念构造图来阐述本实用新型低预应力自复位耗能支撑技术方案，它包括仅受拉屈服的耗能外筒和自复位系统；

所述仅受拉屈服的耗能外筒由高强钢棒-夹具单向传力系统、耗能软钢棒(1)和右端板(9)串联形成；

所述耗能外筒外套于自复位系统，无论支撑伸长还是压缩，外筒都将伸长，提供刚度和阻尼。

所述高强钢棒-夹具单向传力系统包括多个高强钢棒(5)及配套自锁型夹具(4)、1号螺母(6)、左端板(7)和中转换板(8)。高强钢棒(5)的左端刻螺纹，穿过左端板(7)，在左端板(7)的两侧皆使用1号螺母(6)连接，形成单向传力系统的固定端；高强钢棒(5)的右端穿过中转换板(8)，在中转换板(8)右侧(远离左端板7一侧) 焊接自锁型夹具(4)的锚环(4-1)，使得中转换板(7)成为单向传力系统的可移动端。所谓高强钢棒，为现有技术，为市售产品，通常可选用诸如低合金、中合金、高合金、超低碳等各类钢制作的钢棒。高强钢棒(5)置于自锁型夹具(4)中时，当单向传力系统受拉时，即高强钢棒5相对于自锁型夹具4的锚环(4-1)向其厚璧方向移动时，自锁型夹具楔形工作夹片(4-2)咬合传力；当单向传力系统受拉时，即高强钢棒(5)相对于自锁型夹具锚环(4-1)向其薄璧方向移动时，自锁型夹具楔形工作夹片(4-2)脱开，高强钢棒(5)可滑移，形成单向传力机制。

所述耗能软钢棒(1)由核心耗能段和连接段组成；所谓耗能软钢棒，为现有技术，为市售产品，通常可选用诸如Q235钢棒、低屈服点LY225钢棒、低屈服点LY160钢棒等；核心耗能段在拉力作用下屈服耗能；连接段端头设置螺纹，左部的连接段与中转换板(8)使用2号螺母(13)进行连接，右部的连接段与右端板(9)使用2号螺母(13) 进行连接，震后易于更换。

所述自复位系统提供自复位能力，其设计使得无论支撑伸长还是压缩，其后张拉钢绞线预应力筋，即PT筋(10)，都将产生弹性伸长，提供自复位能力；所述自复位系统包括内筒(2)、中筒(3)和预应力复位元件；内筒(2)使用箱型截面，其左端内部焊接连接件，伸出箱型截面左端，作为支撑整体左端连接段，与结构连接；中筒(3)使用箱型截面，其右端外部焊接连接件，伸出箱型截面右端，作为支撑整体右端连接端，与结构连接；

所述预应力复位元件包括PT筋(10)、PT筋锚固头(11)和弹性弹簧(12)。所述 PT筋(10)可使用钢绞线等常用材料，其两端通过PT筋锚固头(11)分别锚固于左端板(7)左侧和右端板(9)右侧，需施加少许预应力；所述弹性弹簧(12)布置在右端板(9)和PT筋锚固头(11)之间，与PT筋(10)构成变形串联机理，可显著提升支撑轴向极限变形能力。

以上由耗能外筒和自复位系统构成的单向夹具传力低预应力自复位支撑，耗能外筒仅受拉屈服，受压时呈现出极低的刚度，不产生抵抗外筒受压的力；自复位系统提供自复位能力，其设计使得无论支撑伸长还是压缩，加载时外筒和后张拉预应力筋，即PT筋 (10)，都将伸长；卸载时外筒和PT筋(10)都将缩短。

实施例

支撑整体的具体物理构成见图2～图7，支撑各部件的详细构造见图8～13，支撑的旗帜形力-位移曲线见图14。在支撑左端设置约束，支撑右端作用力下，本实用新型提出的支撑具有如下独特的力学性能：

1)支撑的外筒形成性能稳定可靠的仅受拉屈服耗能机制，且无需构件精加工

支撑的外筒由耗能软钢棒(1)和高强钢棒-夹具单向传力系统串联而成。其中，高强钢棒-夹具单向传力系统包括左端板(7)、中转换板(8)、多个高强钢棒(5)、自锁型夹具(4)和1号螺母(6)。高强钢棒(5)的左端通过1号螺母(6)与左端板(7)两侧连接，形成高强钢棒(5)的固定端；仅在中转换板(8)的右侧布置自锁型夹具(4)。自锁型夹具(4)靠近中转换板(8)的一端为锚环(4-1)的厚壁端。

当支撑的外筒受拉，即左端板(7)和右端板(9)相对远离时，中转换板(8)在右端板(9)和耗能软钢棒(1)的带动下，也相对远离左端板(7)，高强钢棒-夹具系统“受拉”。此时在中转换板(8)右侧的自锁型夹具(4)中，高强钢棒(5)向锚环(4-1)的厚壁方向移动，自锁型夹具楔形工作夹片(4-2)咬合传力，高强钢棒-夹具系统呈现出极大的刚度。

当支撑的外筒受压，即左端板(7)和右端板(9)相对靠近时，中转换板(8)在右端板(9)和耗能软钢棒(1)的带动下，也相对靠近左端板(7)，高强钢棒-夹具系统“受压”。此时在中转换板(8)右侧的自锁型夹具(4)中，高强钢棒(5)向锚环(4-1)的薄壁方向移动，在少许压力作用下，自锁型夹具楔形工作夹片(4-2)与高强钢棒(5) 脱开，高强钢棒(5)可滑移，高强钢棒-夹具系统呈现出极小的刚度。

因此，支撑的外筒为仅受拉屈服的耗能构件，在受压时呈现出极低的刚度，不产生抵抗外筒受压的力。外筒使用工程常见构件组成，性能稳定，无需构件精加工。

需要声明的是，所述自锁型夹具(4)为市售产品，为现有技术，具体结构如9所示自锁型夹具4，由高强钢棒5穿过，通常包括锚环4-1、夹片4-2、O形圈4-3、夹具复位弹簧4-4、压盖组件4-5，所述夹片4-2通常有两片式或三片式，其端部设O型圈4- 3，两者内置于锚环4-1中；所述锚环4-1薄壁端部设压盖组件4-5，在轴向所述压盖组件4-5的内侧与夹片4-2之间设夹具复位弹簧4-4。

2)无论支撑是受拉还是受压，当荷载加载时，外筒及PT筋总会伸长；荷载卸载时，外筒及PT筋总会缩短

在图1中，在支撑左端设置约束，则内筒(2)保持不动。假设在支撑右端施加拉力，在加载过程中，中筒(3)向右移动。右端板(9)将在中筒(3)右端肋3-2的压力作用下向右移动；左端板(7)在内筒(2)左端肋2-1的限制下保持不动，故左端板(7) 和右端板(9)相对远离，外筒伸长。PT筋(10)的左右锚固头(11)分别设置在左端板(7)左侧和右端板(9)右端，故也随之伸长。在卸载过程中，左端板(7)和右端板 (9)相对靠近，外筒及PT筋(10)缩短。

假设在支撑右端施加压力，则中筒(3)向左移动。左端板(7)将在中筒(3)左端肋3-1的压力作用下向左移动；右端板(9)在内筒(2)右端肋2-2的限制下保持不动，故左端板(7)和右端板(9)相对远离，外筒伸长。PT筋(10)的左右锚固头(11)分别设置在左端板(7)左侧和右端板(9)右端，故也随之伸长。在卸载过程中，左端板 (7)和右端板(9)相对靠近，外筒及PT筋(10)缩短。

3)支撑整体在仅施加少许预应力的情况下可以实现完全自复位性能

统合支撑的以上两点力学特性，即外筒的仅受拉屈服耗能机制和加载时外筒、PT筋 (10)伸长，卸载时相应缩短机制，支撑整体可以在仅施加少许预应力的情况下可以实现完全自复位性能，如图14。

当支撑加载时(受拉或受压)，外筒伸长，可受拉屈服耗能。当支撑卸载时，而PT 筋(10)相对于初始状态有所伸长，其弹性恢复力使得左端板(7)和右端板(9)复位, 而外筒中不产生抵抗受压的力。故仅需少许的预应力，支撑就可以实现完全自复位性能。 PT筋(10)中的预应力仅需克服使得高强钢棒-夹具系统受压滑动的力。

4)支撑的极限伸长能力可灵活设计，不受PT筋材料弹性变形能力的限制

为实现自复位支撑的完全自复位特性，PT筋(10)需始终保持弹性。利用本支撑PT筋(10)的低拉力值特性，在右端PT筋锚固头(11)和右端板之间(9)设置弹性弹簧 (12)，与PT筋(10)形成串联机理，如图6、图7和图10所示。因此，不同于既有自复位支撑中支撑的变形量等于PT筋(9)的变形伸长量，本实用新型提出的支撑中支撑变形量为PT筋(10)和弹性弹簧(12)变形伸长量之和，支撑的极限伸长能力得到提升。

弹性弹簧(12)的刚度、变形能力设计灵活，因此支撑的极限伸长能力亦可灵活设计，而不再受到PT筋(10)材料弹性变形能力的限制。由于本实用新型的自复位支撑中PT筋(10)拉力水平相对于既有自复位支撑大大降低，弹性弹簧(12)的设计强度也显著降低。

本实用新型使用已广泛使用的工程元件实现自复位支撑的低预应力特性，无需构件精加工，造价低廉，性能稳定可靠；解决自复位支撑的轴向极限变形能力问题；仅需施加少许预应力即能实现完全自复位。本实用新型支撑既能提供自复位能力，又能提供耗能能力，可广泛应用于新建建筑抗震设计和既有建筑抗震加固。

Claims (2)

1.一种单向夹具传力低预应力自复位支撑，其特征在于：包括耗能外筒和自复位系统；

所述耗能外筒由高强钢棒-夹具单向传力系统、耗能软钢棒(1)和右端板(9)串联形成；

高强钢棒-夹具单向传力系统由左端板(7)、中转换板(8)、多个高强钢棒(5)、自锁型夹具(4)和1号螺母(6)组成；高强钢棒(5)的左侧通过1号螺母(6)与左端板(7)两侧连接，形成单向传力系统固定端；自锁型夹具(4)左端焊接于中转换板(8)右侧，自锁型夹具(4)右端连接于耗能软钢棒(1)，高强钢棒(5)的右侧穿过中转换板(8)和自锁型夹具(4)，高强钢棒-夹具单向传力系统受拉状态下自锁型夹具(4)咬合高强钢棒(5)承力，高强钢棒-夹具单向传力系统受压状态下自锁型夹具(4)与高强钢棒(5)之间不咬合传力，产生相对滑动从而高强钢棒-夹具单向传力系统不承力；

耗能软钢棒(1)由核心耗能段和连接段组成；核心耗能段在受拉状态下屈服耗能；连接段端头设置螺纹，左部的连接段与中转换板(8)采用2号螺母(13)进行连接，右部的连接段与右端板(9)采用2号螺母(13)进行连接，震后易于更换；

所述自复位系统包括内筒(2)、中筒(3)和预应力复位元件；

内筒(2)的左端内部焊接连接件，作为支撑整体左端连接段，与应用场景中结构连接；中筒(3)的右端外部焊接连接件，作为支撑整体右端连接端，与应用场景中结构连接；所述内筒(2)设于中筒(3)内，所述中筒(3)设于外筒内部；

预应力复位元件左端锚固在左端板(7)左侧，右端锚固在右端板(9)右侧。

2.根据权利要求1所述的单向夹具传力低预应力自复位支撑，其特征在于：所述预应力复位元件包括PT筋(10)、PT筋锚固头(11)和弹性弹簧(12)；

弹性弹簧(12)布置在PT筋(10)的右侧端部，设置在右端板(9)和PT筋锚固头(11)之间；弹性弹簧(12)与PT筋(10)构成变形串联机理，显著提升支撑轴向极限变形能力。

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